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- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (23)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (4)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (4)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (4)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (4)
- 9 Komponentensicherheit (4)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (4)
- 2.2 Prozesssimulation (2)
- 3.0 Abteilungsleitung und andere (2)
Eingeladener Vortrag
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Porous ceramics prepared by the foam replication technique have a high porosity and low mechanical stability. It has been reported that coating such porous ceramics with gelatin allows for an improved compressive strength. Little details regarding the influence of important gelatin parameters such as concentration, temperature and drying conditions as well as bloom number which is a measure of the gel rigidity, on this toughening effect are available. This paper investigates the influence of these parameters on compressive strength of gelatin coated porous hydroxyapatite ceramics. It was found that concentration in the gelatin sols has a marked impact whereas sol temperature, bloom number and differing conditions during subsequent drying have only little influence on the compressive strength of the coated ceramics.
Transportbehälter für radioaktive Stoffe mit einer Typ-B-Versandstückzulassung müssen auch bei schweren Unfallbeanspruchungen sicherstellen, dass das radioaktive Inventar sicher umschlossen, eine unterkritische Anordnung gewährleistet und ionisierende Strahlung ausreichend abgeschirmt ist. Bei der Bewertung von Transportbehältern für radioaktive Stoffe im Rahmen der Bauartprüfung sowie für Risikoanalysen beim Transport radioaktiver Stoffe ist eine Simulation des Verhaltens holzgefüllter, stoßdämpfender Bauteile von Transportbehältern von großem Interesse, da diese in einer Unfallsituation einen Großteil der Aufprallenergie aufnehmen und damit die maximale Stoßkraft deutlich verringern. Damit haben die stoßdämpfenden Bauteile maßgeblichen Einfluss auf die Einhaltung der vom Versandstück zu gewährleistenden Schutzziele. Das Verhalten stoßdämpfender Bauteile wird von einer Vielzahl von Parametern wie Stoßdämpferkonstruktion, Materialeigenschaften und Beanspruchungsrandbedingungen beeinflusst. Es bestehen Unsicherheiten bei der Anwendung von vereinfachten numerischen Verfahren zur Berechnung derartiger Bauteile. Für die Simulation mit Hilfe von komplexen numerischen Verfahren wie dynamische Finite-Elemente-Methoden (FEM) ist bisher keine Modellbildung für die Kompression von Holz in axialer Richtung bei großen Deformationen erfolgt. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen haben sich daher auf die Modellbildung sowie die Untersuchung der Anwendbarkeit verschiedener Modellierungsformen konzentriert. Auf Basis von Erkenntnissen aus der Analyse stoßdämpfender Bauteile von Prototypen von Brennelementtransportbehältern nach einer 9-m-Fallprüfung auf ein unnachgiebiges Fundament und von in dieser Arbeit durchgeführten Stoßversuchen auf Holzproben wurde ein Modell für das Verhalten von Holz bei axialer Beanspruchung und großen Deformationen entwickelt. Das Modell beschreibt die bei der axialen Druckbeanspruchung von Holz auftretende Entfestigung als Funktion der seitlichen Dehnungsbehinderung. Die Energie, die vom Holz absorbiert werden kann, ist umso größer, je größer die seitliche Dehnungsbehinderung ist. Für das stoßdämpfende Bauteil resultiert daraus, dass die Energieabsorptionsfähigkeit des Stoßdämpfers von der Fähigkeit der äußeren Blechstruktur, ein Ausweichen der hoch belasteten Holzpakete zu verhindern, abhängt. Damit wurde ein Modell für das Verhalten von holzgefüllten Stoßdämpfern abgeleitet. Holz muss, um signifikant Energie zu absorbieren, durch starre Behälter- oder Stoßdämpferstrukturen lagestabilisierend abgedeckt sein. Für einen realistischen Vergleich zwischen gemessener und berechneter Stoßdämpferdeformation ist zu der gemessenen Verformung noch eine elastische Rückfederung des stoßdämpfenden Bauteils nach dem Aufprall zu addieren. Das optische, zur Vermessung von dreidimensionalen Objekten entwickelte Messverfahren der Streifenprojektion wurde erstmalig für die Vermessung von stoßdämpfenden Bauteilen von Transportbehältern für radioaktive Stoffe eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht die Aufnahme der genauen Objektgeometrie vor und nach dem Versuch und eignet sich somit sehr gut für eine Schadens- und Verformungsdokumentation der stoßdämpfenden Bauteile von in Fallversuchen untersuchten Prüfmustern. Es wurde gezeigt, dass für Behälter mit großen, relativ zueinander beweglichen Massen das verbreitete Bewertungsschema der Begrenzung der Starrkörperverzögerung für eine Beanspruchungsermittlung an den Komponenten des Versandstücks nicht geeignet ist, da das System nicht mehr als Starrkörper aufgefasst werden kann. Es wurde das vereinfachte numerische Verfahren „ImpactCalc“', mit dem Starrkörperverzögerungen und Stoßdämpferdeformationen ermittelt werden können, entwickelt und bewertet. Das Verfahren kann für mechanische Nachweise der Einhaltung der Schutzziele für Versandstücke mit radioaktiven Stoffen in der Bauartprüfung zielführend eingesetzt werden, wenn das Versandstück exklusive der Stoßdämpfer als Starrkörper betrachtet werden kann und ein entsprechender Sicherheitsfaktor angewendet wird. Für die Risikoanalyse können auf einfache und kostengünstige Weise Beanspruchungen durch verschiedene Unfallsituationen, beispielsweise der Aufprall auf reale Fundamente, abgeschätzt und mit dem Aufprall auf das unnachgiebige Prüfstandsfundament verglichen werden. Für Finite-Elemente-Verfahren wurde aufbauend auf den Schlussfolgerungen zum Verhalten von Holz bei Kompression unter großen Deformationen ein kontinuumsmechanisches Ersatzmodell vorgeschlagen, das die seitliche Dehnungsbehinderung als Mehrachsigkeit des Spannungszustandes im Ersatzkontinuum in Betracht zieht. Mit Hilfe des kommerziellen Finite-Elemente-Programms LS-DYNA wurde die Anwendbarkeit verschiedener Materialmodelle auf dieses Ersatzmodell sowie weitere vorgeschlagene Modellierungsformen untersucht. Mit keiner der untersuchten Kombinationen ist es gelungen, global das Verhalten von Holz im Nachbruchbereich inkl. Entfestigung zu modellieren. Durch Simulation eines Fallversuchs mit einer behälterähnlichen Ersatzmasse und stoßdämpfenden Bauteilen wurden verschiedene Modellierungsformen und Detaillierungsgrade für stoßdämpfende Bauteile von Transportbehältern für radioaktive Stoffe untersucht und bewertet. Kann eine weitreichende Verifikation mit experimentellen Methoden vorausgesetzt werden, lässt sich die FEM in Bauartprüfung und Risikoanalyse zielführend für die Beanspruchungsermittlung anwenden. Durch eine experimentelle Verifikation muss das Simulationsmodell an die im Versuch herrschenden Randbedingungen bezüglich der seitlichen Stützung des Holzes angepasst werden.
Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) is the responsible authority for the
assessment of mechanical and thermal safety as well as quality issues within the licensing procedure
for transport casks for radioactive materials. The assessment includes a brittle fracture analysis of all
relevant cask components.
For cask bodies where a steel bottom is welded to a steel shell, specimens for testing of sufficient
fracture resistance can normally not be extracted directly from the welding seam area of the cask.
Therefore, a methodology has to be developed to ensure compliance with the safety analysis
considerations and the approved design specification. This paper describes such a methodology
including brittle fracture analysis and de-termination of required material properties as well as aspects
of quality assurance during manufacturing.
BAM Federal Institute for Materials Research and Testing is the competent authority for mechanical safety assessment of transport packages for radioactive material in Germany. The further development of state-of-the-art technology concerning assessment methods is essential for a qualified work of involved designers and authority experts. The paper gives an example of current development done to improve understanding and modeling capabilities of wood filled impact limiter. In order to reduce the loads applied to the package containment, which result from regulatory drop tests, most packages are protected by energy dissipating impact limiter. Wood, encapsulated by steel sheets, is one of the materials typically used for energy dissipation in these impact limiter. Very often, mechanical safety cases regarding the 9 m drop test are performed computationally, where it is essential to use reliable and verified computational methods and models. In this context, the paper presents an approach for a finite element material model for wood. Thereby, the mechanical behavior of wood under compression loading is the focus of the development work. Additionally, material orientation as well as strain rate, temperature and lateral constraint may vary. A large number of experiments, particularly compression tests, was designed and performed to establish an adequate experimental database for modeling verification. The experimental results enabled the derivation of necessary requirements: The material model has to take into account strain rate and temperature dependencies as well as the anisotropic characteristics of the material, a proper yield criterion, flow rule and hardening law. Such a material model is currently not available in established commercial dynamic finite element codes. Thus it is necessary to create a user-defined material model considering the mentioned requirements. A first step was done by determining a yield surface as well as detecting flow and hardening mechanisms from experimental force-deflection curves. In a next step the LS-DYNA material model MAT_75 was altered according to conclusions of former BAM development work, regarding the modeling of post-peak softening as a function of lateral constraint. Future research will contain the further development, implementation and verification of a material model for wood.
An extensive series of large deformation crushing tests with spruce wood specimens was conducted. Material orientation, lateral constraint and loading rate were varied. Regarding material orientation, a reduction in the softening effect and the general force level was observed with a higher fiber-load angle. A comparison with characteristics gained by application of Hankinson's formula showed discrepancies in compression strength and the beginning of the hardening effect. Lateral constraint of the specimens caused a multiaxial stress state in the specimens, which was quantified with the applied measuring method. Further, a higher force level compared to specimens without lateral constraint and significant hardening effect at large deformations resulted. Thus, the influence of a multiaxial stress state on the force level could be determined. An increase in the loading rate led to higher force levels at any displacement value and material orientation.
The moisture content of wood is known to have a significant influence on the woods mechanical properties. Using wood as an energy absorber in impact limiter of packages for the transport of radioactive material, it is of particu-lar importance to ensure the moisture content and thus relevant mechanical properties to be in specified limits. The paper surveys the influence of wood moisture content on the mechanical properties of wood. Different measuring methods are discussed with respect to in-situ applicability, accuracy and effort. The results of an experimental ana-lysis of the accuracy of hand-held moisture meters using the electrical resistance method are discussed. Conclu-sions are drawn regarding the measurement of moisture content of wood upon delivery as well as of complete im-pact limiter assemblies. Requirements for quality surveillance during manufacturing of wood filled impact limiter are derived and it is exemplified how to meet them. Construction, manufacturing and inspection of impact limiter encapsulation with regard to leak-tightness are addressed.
Using Scale Model Impact Limiter in the Type Assessment of Transport Casks for Radioactive Material
(2007)
Modified Yoldas sols can be used to prepare crack-free well adherent layers on different substrate materials such as sodalime glass, corundum and metal (IN-718). These layers having thicknesses of 0.6 µm are strain tolerant and withstand thermal cycling between 810 °C and room temperature. Introducing alpha-Al2O3 filler particles into modified Yoldas sols allows the preparation of thicker layers of 1.6 µm, which as well can be thermally cycled without noticeable delaminations. Chemical bonding seems to be the predominant layer bonding mechanism.